Kwantumnetwerken gebruiken de eigenschappen van verstrengeling en superpositie om kwantuminformatie veilig te verspreiden tussen netwerkeindgebruikers.
Deze netwerken bestaan uit twee soorten knooppunten – backbone-knooppunten en eindgebruikersknooppunten – die elk afhankelijk zijn van verschillende typen technologie. Eindgebruikersknooppunten kunnen traditionele telecommunicatiemiddelen zoals lasers en detectoren gebruiken om met de backbone-knooppunten te communiceren.
Backbone-knooppunten daarentegen vereisen een nieuw type infrastructuur: een kwantumrepeater. Deze repeaters hebben een vergelijkbare functie als versterkers in klassieke communicatienetwerken door te corrigeren voor verlies en ontrouw die optreden wanneer kwantuminformatie zich over lange afstanden voortplant, maar kunnen dit doen zonder de kwantumtoestand van licht dat door het netwerk gaat te verstoren.
Dit maakt het mogelijk om de onvermijdelijke verstrooiing van individuele lichtdeeltjes, ook wel fotonen genoemd, te corrigeren wanneer ze zelfs door de beste telecommunicatievezel gaan. Als zodanig maken deze repeaters de verspreiding van kwantuminformatie mogelijk over afstanden die anders onmogelijk zouden zijn vanwege fotonenverlies.
Kwantumrepeaters zullen fungeren als de ruggengraat voor een toekomstig kwantuminternet dat veilige en privécommunicatie mogelijk zal maken - waardoor ze een centraal aandachtspunt worden voor onderzoek in het AWS Center for Quantum Networking.
Het kernelement van een kwantumrepeater is een geheugenqubit die een interface heeft met licht. Deze qubit vangt de informatie die op licht is gecodeerd op, slaat deze op en voert, samen met andere qubits in de buurt, foutcorrectie uit om eventuele fouten die tijdens de communicatie zijn opgetreden te elimineren.
Om levensvatbaar te zijn, moeten deze geheugen-qubits betrouwbare interacties hebben met licht in het zichtbare of telecomdomein (waardoor veel van de toonaangevende qubit-kandidaten worden uitgesloten van kwantumberekening, zoals supergeleidende qubits) en bij voorkeur haalbaar zijn voor massaproductie. Deze vereisten maken defecte qubits, zoals kleurcentra in diamant, leidende kandidaten als kwantumrepeatergeheugens.
Defecten in vaste stoffen zijn een brede klasse van qubits die bestaan uit een of meer atomen die een defect vormen in een verder uniform, kristallijn materiaal. Afhankelijk van het type atoom en het gebruikte materiaal, wordt de qubit gedefinieerd op basis van de elektronische of magnetische toestanden van het (de) defecte atoom (atomen).
Defecte qubits worden van nature in veel materialen aangetroffen en kunnen vaak kunstmatig worden geïntroduceerd door de gerichte implantatie van een gastheermateriaal met het defecte atoom naar keuze. Ondanks dat zoveel materialen defecte qubits kunnen hosten, is het een uitdagende taak om een materiaal-defectpaar te vinden dat een specifieke combinatie van eigenschappen heeft.
Ondanks dat ze zuiverder zijn dan andere natuurlijke kristallen, bevatten ze veel verschillende onzuiverheden die tijdens het lange, langzame groeiproces uit de omgeving zijn opgenomen. Deze onzuiverheden geven diamanten hun uiteenlopende kleuren – variërend van diepblauw tot felroze. In bepaalde gevallen maken defecten in diamant ze echter niet alleen uniek en mooi: ze kunnen ook fungeren als uitzonderlijke qubits voor kwantumnetwerktoepassingen.
Diamant herbergt veel verschillende defecten, maar twee klassen van diamantdefect-qubits zijn naar voren gekomen als toonaangevende kandidaten voor communicatietoepassingen: het Nitrogen-Vacancy Center (NV) en het Silicon-Vacancy Center (SiV). Zowel de NV als de SiV worden gevormd door twee aangrenzende koolstofatomen uit een diamantkristalrooster te verwijderen en ze te vervangen door respectievelijk een enkel stikstof- of siliciumatoom.
Licht herinneren
Kwantumrepeaters werken door informatie gecodeerd op fotonen over te dragen naar een stationaire geheugenqubit waar de informatie kan worden opgeslagen en gecorrigeerd. Defecte qubits, zoals kleurcentra, zijn goede kandidaten voor deze operatie omdat ze van nature een effectieve interface hebben met licht (de bron van hun kleur) en omdat een subset toegang heeft tot een langlevend "spin" -geheugen.
Deze spin kan worden gezien als een kleine magneet die zich in elk elektron, proton en neutron in het materiaal bevindt. Dit spingeheugen kan worden benaderd door de qubit in een magnetisch veld te plaatsen, zodat de spins zich in de richting van het veld oriënteren.
Het geheugen wordt dan bepaald door of de spin langs of tegen het magnetische veld wijst, wat overeenkomt met respectievelijk een 1 of 0 bit. Wanneer licht van een kleurcentrum weerkaatst, kan het deze spinqubit omdraaien, waardoor de overdracht van informatie tussen licht en het spingeheugen mogelijk wordt in wat bekend staat als een spin-foton-interface. Kleurcentra met deze eigenschap - zoals de NV en SiV - zijn nuttige kandidaten voor kwantumrepeaters.
De NV en SiV verschillen van andere kleurcentra doordat ze worden gehost in diamant, dat compatibel is met een breed scala aan Halfgeleider processen en is chemisch inert en stabiel onder veel verschillende omgevingen.
Dit betekent dat deze qubits kunnen worden geplaatst in apparaten op nanoschaal die zijn ontworpen voor specifieke toepassingen. NV's worden bijvoorbeeld vaak geplaatst aan het uiteinde van een scansonde voor microscopie, of in het midden van een hemisferische lens of pilaren die worden gebruikt om efficiënt licht te verzamelen.
SiV's, die minder gevoelig zijn voor de omgeving, kunnen in nog kleinere structuren worden geplaatst. Ze worden vaak gebruikt in golfgeleiders en fotonische kristalholten van slechts honderden nanometers.
De SiV maakt deel uit van een goed bestudeerde klasse van defecten, bekend als "Groep IV"-defecten, gegeven door hun locatie op het periodiek systeem, die opvallen door hun lage gevoeligheid voor magnetische en elektrische veldfluctuaties, die optreden aan de oppervlakken van de meeste materialen.
Deze verminderde gevoeligheid maakt het mogelijk om de SiV in kleinere structuren te plaatsen, wat op zijn beurt de betrouwbaarheid verbetert waarmee ze omgaan met licht. Een SiV-defect heeft ook andere eigenschappen die het zeer geschikt maken voor kwantumnetwerkoperaties.
Het heeft een coherentietijd van maximaal 10 milliseconden en een secundair, nucleair spingeheugen dat langer dan een seconde kan leven. SiV's kunnen afzonderlijk worden bestuurd en uitgelezen met een hoge nauwkeurigheid, met een uitleesgetrouwheid van 99.98%, een getrouwheid van de enkele qubit-poort beter dan 99% en een getrouwheid van de spin-fotonpoort beter dan 95%.
Met behulp van de synthetische diamanten van Element Six zijn deze functies gecombineerd door een team van wetenschappers van Harvard en MIT om geheugenverbeterde kwantumcommunicatie mogelijk te maken, een maatstaf die betekent dat de SiV communicatie over grotere afstanden mogelijk maakt dan mogelijk zou zijn zonder repeaters.
Engineering en opschaling van de technologie rond de SiV moet een wijdverbreide inzet van deze technologie mogelijk maken - en deze engineering begint met het diamantmateriaal zelf.
In natuurlijke diamant vermindert het aantal ongewenste defecte atomen de coherentie-, optische en spin-eigenschappen van kleurcentra zoals de NV en SiV. Gelukkig heeft de komst van synthetische diamantgroei het verminderen van deze ongewenste onvolkomenheden mogelijk gemaakt.
Vooruitgang op het gebied van plasma-enhanced chemische dampdepositie (PECVD) in de afgelopen twintig jaar heeft de groei mogelijk gemaakt van individuele diamantplaten met voldoende zuiverheid en ordelijkheid voor kwantumtoepassingen. PECVD-groei maakt de vorming van diamanten mogelijk die honderden of duizenden keren zuiverder zijn dan de Regent Diamond, de beroemde pure natuurlijke diamant die in het Louvre te zien is.
In de beste PECVD-diamant zijn minder dan één op de miljoen atomen onzuiverheden – vergeleken met één op de duizend voor de meeste natuurlijke diamanten.
Blijven investeren in PECVD-diamanttechnologie zal van cruciaal belang zijn om het gebruik ervan voor kwantumtoepassingen mogelijk te maken. Het verbeteren van de controle over de soorten defecten die worden gecreëerd en het materiaal dat wordt opgenomen tijdens de diamantgroei, het verbreden van de verschillende morfologieën van diamanten die in massa kunnen worden geproduceerd, en het verlagen van de productiekosten zullen van cruciaal belang zijn voor de vooruitgang op dit gebied
De optische en kwantumeigenschappen van diamant maken het uniek veelbelovend voor kwantumnetwerken en kwantumcommunicatietoepassingen - maar het gebrek aan brede toegang tot verschillende kwaliteiten en morfologieën van diamant is al lang een uitdaging voor het veld.
Element Six en AWS werken samen aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën om van diamant een flexibeler en toegankelijker materiaal te maken - om groei en vooruitgang voor deze technologie te stimuleren.
Hoewel het veld nog steeds veel fundamentele en technische vragen stelt, heeft deze samenwerking tussen AWS en Element Six tot doel een schaalbare synthetische diamantoplossing te ontwikkelen die consistent is met efficiënte foton-spin-interactie en -controle, die kan worden gebruikt om de ontwikkeling van kwantumtechnologieën te bevorderen, waaronder veilige netwerken, sensoren of computers in de toekomst.
Bekijk meer : IGBT-modules | LCD-schermen | Elektronische Componenten